o ditlenku chloru
Clo2 – ditlenek chloru
Pandemia koronawirusa COVID-19 spowodowała istne trzęsienie ziemi wśród społeczeństw na całym świecie. Wymusiła również wprowadzenie specjalnych środków ostrożności i procedur, które powszechnie stosowane były w szpitalach, gabinetach lekarskich, lokalach i biurach, a także wszystkich miejscach użytku publicznego. Jednocześnie wzrosło zapotrzebowanie na specjalistyczne środki ochrony osobistej przed zakażeniem wirusem. Projekt ClearFog, który opiera się na wykorzystaniu ditlenku wodoru do neutralizacji wirusa, to rozwiązanie, które było i będzie potrzebne. Z uwagi na szerokie spectrum oddziaływania ditlenku chloru na różnego rodzaju bakterie i wirusy jest on doskonałym preparatem, który można wykorzystać w przyszłości. Ditlenek chloru – czym jest Clo2? Ditlenek chloru (Clo2) powstaje na skutek zastąpienia jednego atomu tlenu chlorem w cząsteczce znanego ozonu (O3), co prowadzi do otrzymania związku chemicznego o silnych właściwościach utleniających, a jednocześnie unikalnych funkcjach użytkowych m.in. o bardzo wysokim poziomie dezynfekcji. Powstającym związkiem jest dwutlenek chloru (CIo2), który występuje w stanie wolnym w postaci gazu. Gaz uwięziony jest w roztworze wodnym, a z uwagi na szereg wielu jego zalet, dystansuje nie tylko inne typowe antyseptyki zawierające chlor, lecz także zdecydowanie góruje nad pozostałymi znanymi środkami odkażającymi dzięki swoim niepowtarzalnym własnościom.
AKTYWNOŚĆ BIOBÓJCZA
Mechanizm działania dezynfekującego.
Badania mechanizmu aktywności dezynfekcyjnej wykazują dwa rodzaje oddziaływań:
• reakcje specyficzne ClO2 z biocząsteczkami,
• wpływ ClO2 na czynności fizjologiczne mikroorganizmów
W pierwszym przypadku wykazano, iż ClO2 może reagować z niektórymi wolnymi aminokwasami (cysteina, tyrozyna, tryptofan), nie stwierdzono jednak reakcji z cząsteczkami RNA. Powyższe badania pozwoliły wszelako na przyjęcie tezy, iż aktywność wirusobójcza może znaleźć uzasadnienie w reakcji z aminokwasami oraz tłuszczami proteinowo lipidowego kapsydu, jakkolwiek wykazano jednocześnie możliwość bezpośredniej reakcji dwutlenku chloru z niektórymi cząsteczkami RNA (np. wirusa polio) prowadzącej do uszkodzenia cząsteczki i tym samym uniemożliwienia jej replikacji. Wobec stwierdzonych silnych własności wirusobójczych, względem szeregu typów wirusów przyjmuje się, iż mechanizm dezaktywacji tych patogenów polega na oddziaływaniu obu wspomnianych czynników. Drugi typ mechanizmu postuluje spowolnienie, a nawet uniemożliwienie syntezy protein czyn to perforacji błon komórkowych. Koncepcja ta znalazła potwierdzenie w wynikach badań, dokumentujących reaktywność dwutlenku chloru względem cząsteczek protein i lipidów, prowadzącą do zniszczenia błony komórkowej.
DZIAŁANIE BAKTERIOBÓJCZE
Wyniki badań ilościowych prowadzonych w latach 40-tych XX wieku wykazują aktywność bakteriobójczą dwutlenku chloru przewyższającą aktywność tzw. chloru aktywnego. Wykazano, iż w zawiesinie, przy stężeniu 1-5 ppm ClO2 osiąga wysoką efektywność względem Escherichia Coli oraz Bacillus anthracoides. Podobnie wysoką, wyższą od chloru aktywność bakteriobójczą dwutlenku chloru wykazano w dezaktywacji Bacillus subtilis, Bacillus mesentericus oraz spor Bacillus megatherium. Aktywność porównywalną z chlorem wykazano także w przypadku szczepów Salmonella typhosa oraz Salmonella paratyphi.
DZIAŁANIE PIERWOTNIAKOBÓJCZE
W efekcie przeprowadzonych badań nad aktywnością dwutlenku chloru względem Lamblia, wykazano wyższą od chloru efektywność dezaktywacji tych pierwotniaków, uzyskując przy czasie kontaktu 60 min oraz stężeniu 1,5-2 ppm ClO stopień dezaktywacji 3-log (99,9%) w zakresie temperatur 1 ºC – 25 ºC oraz 2pH 6-9. Jakkolwiek w przypadku Criptosporidium stwierdzono około ośmiokrotnie większą odporność form dojrzałych w porównaniu z Lablia, wykazano jednak, iż w przypadku trzydziestu minut kontaktu z roztworem o stężeniu wynoszącym zaledwie 0,22 ppm w sposób znaczący zanika zdolność infekcyjna inwazyjnych oocyst tego chorobotwórczego pierwotniaka. Wyjątkowo wysoka aktywność biobójcza została wykazana w przypadku patogennych cyst ameb Naegleria gruberi. Stopień dezaktywacji 2-log (99 %) został osiągnięty w szerokim zakresie pH dla stężeń poniżej 1 ppm ClO2.
DZIAŁANIE WIRUSOBÓJCZE
Badania laboratoryjne jak i zastosowania praktyczne potwierdziły aktywność dwutlenku chloru w dezaktywacji wirusów. Wykazano porównywalną lub wyższą od chloru aktywność roztworów ClO2 w stosunku do wirusów Poliomyelitis, Coxsackie B3, Echovirus7, Hepatitis A. Badania wykazały możliwość osiągnięcia stopnia dezaktywacji 4-log (99,99 %) przy iloczynie CT<35 ppm~min.
Ditlenek chloru w zwalczaniu zakażeń wirusami w powietrzu i na powierzchniach w świetle badań naukowych
Dzięki unikalnym właściwościom elektronowym cząsteczek ditlenku chloru, związek ten utlenia (niszczy) elementystruktury białkowej otoczki wirusa [1, 2].
BEZPIECZEŃSTWO STOSOWANIA
Szczególnie cenną zaletą ClO2 jest wysoka aktywność wirusobójcza w powietrzu i na powierzchniach, w stężeniach niższych od stężeń szkodliwych dla człowieka. O ile graniczne maksymalne stężenie bezpieczne ClO2 w powietrzu pozostaje na poziomie 0,3 ppm (NDS), jako stężenie nieszkodliwe w czasie ekspozycji 8 h [3], to stężenia skuteczne wirusobójczo osiągają poziomy poniżej 0,1 ppmv.
SKUTECZNOŚĆ BIOBÓJCZA W DEZYNFEKCJI POWIETRZA (BADANIA MADELOWE IN VITRO).
W badaniach naukowych [4] udokumentowano wyniki skuteczności dezynfekcyjnej ClO2 w powietrzu na poziomie stężeń 0,01-0,1 ppmv względem modelowych wirusów (tzw. bakteriofagów), gdzie uzyskano skuteczność w 99,99% dla 0,01 ppmv w czasie 120 minut, dla 0,02 ppmv w czasie 60 minut oraz dla stężenia 0,1 ppmv w czasie 30 minut.
SKUTECZNOŚĆ BIOBÓJCZA W DEZYNFEKCJI POWIETRZA (BADANIA NA GRYZONIACH).
W badaniach skuteczności wirusobójczej prowadzonych na organizmach żywych (myszy) względem wirusa grypy typ A uzyskano wynik zerowej śmiertelności badanej populacji infekowanej wirusem grypy już przy stężeniu ClO2 w powietrzu na poziomie 0,03 ppmv, w stosunku do umieralności 70 % populacji, względem której nie stosowano dezynfekcji [5].
SKUTECZNOŚĆ BIOBÓJCZA W DEZYNFEKCJI POWIETRZA (BADANIA W SZKOŁACH I KOSZARACH)
Szczególnie cenne wnioski wydają się płynąć z obserwacji efektów zastosowania niewielkich stężeń gazowego ClO2 w naturalnych środowiskach ludzkich. W pracy [6] przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych oraz statystycznych wpływu zastosowania systematycznej dezynfekcji gazowym ditlenkiem chloru pomieszczeń klas szkolnych na absencję chorobową uczniów. Badania prowadzono pośród populacji młodzieży szkoły podstawowej szczególnie narażonej na infekcje wirusowe. Wyniki badań wykazały około 3-krotny spadek absencji chorobowej w obszarze populacji uczniów pozostających w pomieszczeniach dezynfekowanych gazowym ditlenkiem chloru.
Uzyskany wynik poparto starannie przeprowadzonymi statystycznymi testami istotności. Podobne wyniki uzyskano w badaniach przeprowadzonych pośród żołnierzy wybranych jednostek wojskowych [7]. Najnowsze badania wykazują, że koronawirus może pozostawać w powietrzu przez 3 godziny, a na plastiku przez kilka dni [8].
SKUTECZNOŚĆ BIOBÓJCZA W DEZYNFEKCJI POWIERZCHNI
Skuteczność wirusobójczą gazowego ClO2 przeciwko zbliżonemu do SARS-CoV-2 otoczkowemu wirusowi grypy A, potwierdzono również na powierzchni, na poziomie redukcji powyżej 5 log10 w stężeniu 0,05 mpv, w czasie oddziaływania 3 h, w temperaturze 21 ºC oraz przy wilgotności względnej 54 % [9]. Podobną skuteczność uzyskano również w tych samych warunkach na powierzchni obciążonej zanieczyszczeniami organicznymi.
Zastosowane stężenie skuteczne ClO2 jest więc poniżej najwyższego dopuszczalnego stężenia 0,3 ppm w powietrzu, czyli w warunkach stosowania bezpiecznych dla obecności ludzi. Według europejskich rekomendacji, sformułowanych na podstawie listy Chińskiego Stowarzyszenia Farmaceutycznego oraz opinii International Pharmaceutical Federation (FIP), ditlenek chloru znajduje się na liście substancji wirusobójczych, skutecznych w walce z COVID-19, na powierzchniach oraz w aerozolu / powietrzu.
WNIOSEK
Wyniki badań naukowych prowadzonych nad właściwościami biobójczymi ditlenku chloru wskazują, iż jego zastosowanie, przy stężeniach niższych od stężeń szkodliwych dla organizmu ludzkiego stanowi skuteczną metodę zwalczania wirusów w powietrzu i na powierzchniach.
LITERATURA
1. Ogata, N. (2012) Inactivation of influenza virus haemagglutinin by chlorine dioxide: oxidation of the conserved tryptophan 153 residue in the receptor-binding site. J. Gen. Virol. 93, 2558–2563.
2. Ogata, N. (2007). Denaturation of protein by ClO2: oxidative modification of tryptophan and tyrosine residues. Biochemistry 46, 4898– 4911.
3. Rozporządzenie Ministra Rodziny, Pracy i Polityki Społecznej z dnia 12 czerwca 2018 r., w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy.
4. US Department of Labor, Occupational Safety and Health Administration: Occupational safety and health guideline for chlorine dioxide. 2006. http://www.osha.gov/SLTC/healthguidelines/chlorinedioxide/ recognition.html.
5. Ogata, N., Sakasegawa, N., Miura, Takanori. Shibata, T., Takigawa, Y., Taura, K., Taguchi, K., Matsubara, K., Nakahara, K., Kato, D., Sogawa, K., Oka, H. (2016) Inactivation of Airborne Bacteria and Viruses Using Extremely Low Concentrations of Chlorine Dioxide Gas. Pharmacology 97, 301–30 .
6. Ogata N, Shibata T. (2008) Protective effect of low concentration chlorine dioxide gas against influenza A virus infection. J. Gen. Virol. 89, 60–67.
7. Ogata N, Shibata T. (2009) Effect of chlorine dioxide gas of extremely low concentration on absenteeism of school. Int. J. Med. Med. Sci. 1, 288–289.
8. Mimura S, Fujioka T, Mitsumaru A. (2010) Preventive effect against influenza-like illness by low-concentration chlorine dioxide gas. Jpn. J. Environ.Infect. 25, 277–280.
9. Aerosol and surface stability of HCoV-19 (SARS-CoV-6 2) compared to SARS-CoV-1 doi.org/10.1101/2020.03.09.20033217.
10. Morino H., Fukuda T., Miura T and Shibata T. Effect of low-concentration chlorine dioxide gas against bacteria and viruses on a glass surface in wetenvironments, Letters in Applied Microbiology, 53, 628–634, doi:10.1111/ j.1472-765X.2011.03156.x.
REZULTAT PROJEKTU BADAWCZEGO pt. Technologia wytwarzania oraz stosowania preparatów dezynfekcyjnych na bazie ditlenku chloru, do zwalczania ognisk epidemicznych drobnoustrojów chorobotwórczych o wysokiej oporności na dezynfekcję chemiczną, nr POIR.01.01.01-00-1104/17-00, realizowanego w latach 2018-2023.
Dlaczego niskie stężenia ClO2 skuteczne wirusobójczo są nieszkodliwe dla ludzi i zwierząt
Już w latach 80-tych XX wieku badano reaktywność 21 aminokwasów wobec dwutlenku chloru (ClO2) [1].
Wykazano, iż badane reakcje zachodzą spontanicznie z sześcioma aminokwasami, przy czym reaktywność z cysteiną, tyrozyną i tryptofanem jest nadzwyczaj energiczna. Determinuje to denaturację białek budulcowych i funkcjonalnych mikroorganizmów zawierających wymienione aminokwasy [2, 3], powodując ich inaktywację [5].
Przykładowo, w przypadku cysteiny mechanizm destrukcji opiera się na utlenieniu grup hydrosulfidowych (-SH) do mostków disulfidowych (-S-S-), a w konsekwencji blokowaniu jej funkcji życiowych [6]. Obecnie wiadomo, że białko kapsydowe koronawirusa SARS-CoV-2 zawiera 54 reszty tyrozyny, 12 tryptofanu i 40 cysteiny [4].
Uzasadnia to niezwykle szybką jego inaktywację w kontakcie z nawet bardzo rozcieńczonym ClO2 (np. <0,1 mg/l)
CYSTEINA, TYROZYNA I TRYPTOFAN ZNAJDUJĄ SIĘ RÓWNIEŻ W TKANKACH LUDZKICH, ZATEM DLACZEGO CLO2 JEST NIETOKSYCZNY DLA LUDZI I ZWIERZĄT, W STĘŻENIACH ZABÓJCZYCH DLA WIRUSA SARS-COV-2?
Po pierwsze, wirusy i bakterie osiągają dużo mniejsze rozmiary niż komórki tkanek ludzkich i zwierzęcych.
Szacuje się, że wirus wielkości 200 nm jest kilkaset razy mniejszy od najmniejszej komórki ludzkiej osiągającej wielkość 60000 nm. Na podstawie dyfuzyjnego modelu reakcji stwierdzono, że czas potrzebny do zabicia żywego organizmu jest proporcjonalny do kwadratu jego charakterystycznej wielkości, np. średnicy. Dla przykładu: stosując roztwór ClOÇ o stężeniu 0,25 mg/l, bakteria o średnicy 1 μm zostaje wyeliminowana w ciągu 3,6 s.
Ten czas jest wystarczający, aby zniszczyć białka komórkowe, zbudowane z cysteiny, tyrozyny i/lub tryptofanu [7].
Konsekwentnie czas potrzebny do zabicia znacznie większej komórki ludzkiej byłby wykładniczo dłuższy, a czas eliminacji jeszcze mniejszego wirusa 5-krotnie krótszy
Po drugie, komórki człowieka i zwierząt zawierają glutation, który obok witamin C i E pełni rolę przeciwutleniacza, neutralizując działanie wolnych rodników i aktywnych form utleniających. Glutation to tripeptyd zbudowany z kwasu glutaminowego, glicyny i cysteiny [3], który utlenia się pod wpływem ClOÇ w porównywalnym tempie jak wolna cysteina, za sprawą obecności niezwykle reaktywnej grupy tiolowej. Stanowi to barierę ochronną komórki ludzkiej, neutralizując napotykany ClO2.
Ponadto, komórka ludzka posiada potencjał odtwarzania zużywanego glutationu jak i jego rezerw. W organizmach wielokomórkowych zachodzi również nieprzerwany transport przeciwutleniaczy z komórki do komórki, co stanowi dodatkowe zabezpieczenie [8].
Wirusowe RNA nie generuje przeciwutleniaczy i pozbawion jest ww. bariery ochronnej neutralizującej ClO2.
Najbardziej wrażliwym organem na działanie inhalacyjne toksycznych gazów w organizmie człowieka są płuca, a dokładniej pęcherzyki płucne, w których odbywa się wymiana gazowa. Wykazano, iż znajduje się tam 2,5x więcej kwasu askorbinowego i 100x więcej glutationu niż w osoczu, co stanowi silną barierę ochronną organizmu [3]. Nie jest zatem prawdopodobne, aby stosowanie ustawowo dopuszczalnych stężeń ClO2 w miejscu pracy (0,3 ppm dla ekspozycji 8-godzinnej oraz 0,9 ppm dla ekspozycji 15-sto minutowej) niekorzystnie wpływało na zdrowie i życie człowieka. Jednocześnie, z powodów opisanych powyżej udokumentowanych w opisanych powyżej badaniach naukowych, są to stężenia niezwykle skuteczne w zwalczaniu wirusa otoczkowego SARS-CoV-2.
CYTOWANA LITERATURA:
1. Tan H, Wheeler B.W., Wei C.: Reaction of chlorine dioxide with amino acids and peptides: kinetics and mutagenicity studies. Mutat Res 1987, 188(4): 259–66.
2. Ogata N.: Denaturation of protein by chlorine dioxide: oxidative modification of tryptophane and tyrosine residues. Biochem. 2007, 46:4898–911.
3. Ison A., Odeh I.N., Margerum D.W.: Kinetics and mechanisms of chlorine dioxide and chlorite oxidations of cysteine and glutathione.Inorg. Chem. 2006, 45: 8768–75.
4. Tao Y, Queen K, Paden CR, Zhang J, Li Y, Uehara A, et al. Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 isolate 2019-nCoV/USAIL1/2020, complete genome. NCBI GenBank; 2020. Available at https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nucleotide/MN988713.1?report5genbank&log$5 nuclali gn&blast_rank51&RID5304U21XH016.
5. Noss C.I., Hauchman F.S., Olivieri V.P.: Chlorine dioxide reactivity with proteins. Water Res. 1986, 20(3): 351–356.
6. Huang J.L., Wang L., Ren N.Q., Ma F.: Disinfection effect of chlorine dioxideon bacteria in water. Water Res. 1997, 31(3): 607-613.
7. Noszticzius Z., Wittmann M., Kály-Kullai K., Beregvári Z., Kiss I., Rosivall L.: Chlorine dioxide is a sizeselective antimicrobial agent.PloS One. 2013, 8(11): e79157.
8. Forman H.J., Zhang H., Rinna A.: Glutathione: overview of its protective roles, measurement, and biosynthesis. Mol Aspects Med.2009, 30(1–2): 1–12.